L’economia mondiale si basa principalmente sull’uso di riserve non rinnovabili di energia fossile in forma di carbone, che soddisfa circa il 29% della richiesta, petrolio (35%), gas naturale (24%), energia nucleare ricavata da bombardamento neutronico dell’isotopo 235 dell’uranio (2.5%) e energia idroelettrica (2.5%) [24].
Per stimare la quantità totale di materiale fossile assumiamo che, poiché fortemente reattivi alle alte temperature, né ossigeno né carbonio libero fossero presenti sulla Terra prima dell’inizio della vita organica. Durante la fotosintesi attuata dagli organismi, l’acqua e l’anidride carbonica combinano secondo la reazione
,
che
assorbe energia solare, per cui per ogni mole di ossigeno prodotta viene
immagazzinata una mole di carbonio in un carboidrato (esempio tipico è il
glucosio 
).
La massa complessiva dei carboidrati, presa come stima approssimativa della
massa totale di combustibile fossile, può essere ricavata dalla massa
dell’ossigeno libero nell’atmosfera secondo la relazione 
.
Essendo la pressione pari a circa 
e
la percentuale in peso di ossigeno nell’atmosfera del 20%, risulta
dove
è
il raggio medio della Terra e 
l’accelerazione
di gravità. Pertanto la quantità massima di 
prodotta
dalla fotosintesi ed ora presente in depositi è
.
L’energia
dei combustibili fossili è spesso fornita in tonnellate 
di
carbone equivalente:
;
finora
sono stati trovati poco più di 
, come
indicato in tabella.
|
Tipo |
Quantità
[ |
|
Petrolio |
0.21 |
|
Gas |
0.17 |
|
Carbone |
0.66 |
Tabella 1. Riserve note di combustibile fossile.
La combustione rilascia energia trasformando questi combustibili, insieme all’ossigeno, in acqua e anidride carbonica. Ad esempio bruciare metano, costituente principale del gas naturale, equivale alla reazione esotermica
.
Pesando
una
mole di 
, 
una
mole di 
, 
una
mole di 
e 
una
mole di 
, la
combustione di una tonnellata di metano trasforma 
di
ossigeno in 
di acqua
e 
di
anidride carbonica. Assumendo grossolanamente che il consumo energetico
mondiale di circa 
all’anno
(corrispondente a circa 
o
alla potenza di 
) provenga
da metano e che la sua combustione rilasci la stessa energia della combustione
del carbone, possiamo stimare in 
la
quantità annua di liberata,
corrispondente a 
. A
pressione atmosferica, prendendo la temperatura media terrestre (
) e
nell’approssimazione di gas perfetto, tali moli occupano un volume di quasi 
: per
confronto riportiamo che il lago di Garda, il più grande in Italia, contiene
poco più di 
d’acqua.
Va tuttavia sottolineato che circa metà dell’anidride carbonica prodotta si
discioglie nell’acqua degli oceani, e quindi è la restante metà che va ad
arricchire l’atmosfera.
L’aumento
della concentrazione di anidride carbonica comporta un aumento della
temperatura della Terra per effetto serra. Per capirne il principio di
funzionamento ricorriamo al seguente semplice modello, in cui faremo uso di
nozioni sulla radiazione solare che verranno approfondite nel prossimo
paragrafo. Il Sole è un corpo nero a 
, ed
emette massimamente fotoni a lunghezza d’onda nel visibile (attorno 
) a
cui l’atmosfera è trasparente. La Terra è un corpo nero a temperatura inferiore
che emette maggiormente a lunghezza d’onda media di 
,
cioè nell’infrarosso: tutte le molecole triatomiche nell’atmosfera, inclusa,
assorbono bene in questa zona spettrale. Conseguentemente, mentre la maggior
parte della radiazione solare incidente raggiunge la superficie terrestre, gran
parte dell’energia irradiata da quest’ultima viene assorbita dall’atmosfera,
che così si scalda e irraggia nuovamente la Terra.
Figura 1. Bilancio dell’energia assorbita ed emessa nell’unità di tempo.
Assumendo che la crosta assorba tutta la radiazione incidente, all’equilibrio vale
,
dove
è
la potenza emessa dalla superficie terrestre, 
e 
hanno
analogo significato, mentre 
è l’albedo
media della Terra (l’albedo di una superficie indica la frazione di radiazione
incidente che viene riflessa all’indietro). Assumendo che tutta l’energia irradiata
dalla crosta sia assorbita dall’atmosfera, all’equilibrio deve valere
, e
quindi 
,
ovvero
dove
è
il raggio terrestre medio, 
è
la costante di Stefan-Boltzmann, 
è
la temperatura media terrestre considerando il precedente modello di effetto
serra, e 
è l’energia
media della radiazione solare che raggiunge un’unità di superficie limitrofa
all’atmosfera (il concetto di costante solare verrà approfondito al paragrafo
1.2). Il valore così trovato è da confrontare con l’effettiva temperatura terrestre
che oscilla fra 
e 
e ha
media di . A
prima vista 
non
appare un valore catastrofico: non è proibitivo per esseri umani e specie animali
comuni, non scioglie tutti i ghiacciai né vaporizza gli oceani. Tuttavia questo
innalzamento catalizzerebbe una serie di fenomeni destinati ad alterare il
pianeta ed aumentane ulteriormente la temperatura: ad esempio quando il
ghiaccio si scioglie, il terreno si scalda maggiormente poiché ha un indice di
rifrazione inferiore. Inoltre, all’aumentare della temperatura, l’anidride
carbonica si discioglie sempre meno fino a non essere più assorbita ma
rilasciata dagli oceani. Complicati modelli climatici sono in disaccordo sulla
stima degli effetti dell’aumento di nell’atmosfera,
com’è intuibile data la difficoltà di studiare un sistema così complesso, ciò
non toglie che sarebbe quantomeno prudente non alterare il poco compreso
equilibrio dinamico del pianeta.
Le
principali alternative per la produzione di energia senza emissione di gas
serra sono i combustibili fossili con intrappolamento dell’anidride carbonica
prodotta, l’energia nucleare e l’energia solare. La sfida per
l’intrappolamento della è
trovare posto ai già citati 
che
vanno ad ingrossare l’atmosfera ogni anno, un posto che deve essere
assolutamente sicuro e non permettere nessun tipo di fuoriuscita. L’energia
nucleare è la seconda scelta possibile: attualmente nel mondo sono in
funzione circa 440 centrali per un potenza totale di quasi 
,
ovvero intorno al 16% dell’energia elettrica utilizzata nel 2008 [26]. La quasi
totalità delle centrali in funzione appartiene alla cosiddetta “seconda
generazione”, alla terza appartengono quelle che dovrebbero essere costruite in
Italia nei prossimi anni; mentre le centrali di quarta generazione, in
progettazione e forse disponibili entro 30 anni, potrebbero riuscire sia a non
produrre scorie che a utilizzare come materiale fissile, oltre all’uranio-235
che costituisce solo lo 0.72% dell’uranio disponibile in natura, anche
l’abbondante uranio-238 (99.275%). Tuttavia occorre fare i conti con
la tecnologia attuale: per soddisfare l’intero bisogno energetico solo con
centrali a fissione nucleare di seconda generazione, dovremmo costruirne più di
14000 da 
effettivo
e costo non inferiore a tre miliardi di euro ciascuna. Il materiale fissile
necessario ammonterebbe a quasi 
, e
l’uranio-235 (
) “a
buon mercato” (
)
verrebbe esaurito in meno di 30 anni. A questo si aggiunge il problema dello
stoccaggio delle scorie: una centrale di seconda generazione da produce
circa 
all’anno
di scorie radioattive di media e alta pericolosità. Soddisfare l’interno
bisogno energetico solo con centrali a fissione di seconda generazione
produrrebbe quasi 
di
scorie pericolose ogni anno (pari al volume di un cubo di lato 
), quantità
certamente non problematica come i di (cubo
di lato 
),
soprattutto se si operano saggi accordi internazionali per
l’individuazione di siti geologicamente stabili. Infine un dato
riguardante il rischio di catastrofi da nucleare civile: in circa 50 anni,
corrispondenti a quasi 12000 anni di attività di un solo reattore, sono
avvenuti 130 incidenti di cui 2 gravi per la popolazione. Ultima opzione è lo
sfruttamento di fonti rinnovabili, di cui il solare è certamente il più
promettente. Dalla referenza [2] riportiamo che, secondo stime delle Nazioni
Unite, le rimanenti risorse idroelettriche praticamente sfruttabili ammontano a
meno di 
. La
potenza complessiva in tutte le maree e le correnti oceaniche nel mondo ammonta
a quasi 
. La
potenza geotermica sulla superficie terrestre è 
, di
cui solo una piccola frazione può essere estratta in pratica. Il quantitativo
di potenza eolica è stato stimato in massimo 
dall’Intergovernmental
Panel on Climate Change (IPCC). In confronto, la potenza complessiva dei raggi
solari all’esterno dell’atmosfera è 
.
Va
infine sottolineato che alla difficoltà di produrre energia “pulita” si
aggiunge quella di una richiesta incessantemente crescente: dal 1965 al 2008 il
consumo energetico mondiale è salito da 
a 
,
con un incremento medio annuale del 
[24].
Figura
2. Consumo energetico mondiale annuo dal 1965 al 2008 in 
[24].